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"PROCEDE DE CORRECTION DES OSCILLATIONS DE LA TENSION
AUX BORNES D'UN CIRCUIT A COURANT CONTINU ALIMENTE PAR UN REDRESSEUR DE COURANTS ALTERNATIFS"
On sait que la tension fournie par un redres- seur de courants alternatifs présente des oscillations périodiques autour de sa valeur moyenne.
En fait, on peut considérer que cette tension se compose d'une tension rigoureusement continue, égale à cette valeur moyenne, et d'une tension alternative égale à la différence entre la tension totale du redres- seur et la tension de valeur moyenne. C'est la composante alternative de la tension du redresseur qui détermine des oscillations périodiques du courant débité et entraîne une gêne pour l'application du redresseur. Par exemple ces oscillations induisent des courants parasites et per-
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turbateurs dans les lignes téléphoniques qui avoisinent les lignes du réseau à courant continu ; elles échauffent la masse magnétique des moteurs à courant continu et elles peuvent troubler la commutation de ces moteurs.
' On s'est naturellement efforcé par divers moyens d'amortir la composante alternative de la tension des redresseurs. On intercale, par exemple, à cet effet, une bobine de self de grande réactance et de faible résis- tance dans le circuit alimenté par le redresseur. Cette bobine, parcourue par le courant total débité, développe sous l'effet des oscillations du courant une force contre- électromotrice de self-induction qui s'oppose à la compo- sante alternative de la tension du redresseur. Ce procédé ne permet pas d'amortir complètement cette dernière, parce que la bobine ne développe la force électromotrice dtamor- tissement que s'il subsiste une oscillation du courant qui la parcourt. Pour obtenir un amortissement parfait, il faudrait une bobine de dimensions infinies.
Un autre procédé consiste à installer une batterie d'accumulateurs en dérivation du circuit .alimenté par le redresseur. La force électromotrice de la batterie forme barrage pour la composante continue de la tension du redresseur, tandis que la composante alternative fait circuler un courant alternatif dans la batterie. Le rôle de la batterie revient donc à court-circuiter le redres- seur au point de vue de la composante alternative de sa tension,,,Or, pour que l'amortissement soit suffisant, la résistance intérieure de la batterie tampon doit être négligeable par rapport à la résistance du circuit ali- menté par le redresseur et la batterie doit présenter de
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très grandes dimensions, ce qui rend le procédé peu pratique.
Un autre procédé dérive du précédent : la bat- terie d'accumulateurs est remplacée par un moteur à courant continu présentant une faible impédance inté- rieure. Ce procédé est encore moins pratique que le précédent, en raison de la difficulté de construire un moteur qui ait une impédance négligeable par rapport à celle du circuit alimenté par le redresseur.
D'autres procédés utilisent des combinaisons de selfs et de capacités pour court-circuiter le redres- seur par rapport à la composante alternative de sa tension. Ces circuits dtamortissement sont montés en dérivation aux bornes du circuit d'utilisation, direc- tement ou par ltintermédiaire d'un transformateur ; leur fréquence de résonance électrique est celle de la composante alternative de la tension du redresseur ou de ses harmoniques, de sorte qu'ils offrent un che- min facile au courant qu'y fait circuler la dite compo- saute. Les procédés basés sur ce principe donnent un amortissement imparfait parce que l'énergie perdue dans les circuits dérivés est fournie aux dépens d'une oscil- lation résiduelle de la tension du redresseur.
D'autres procédés emploient un transformateur auxiliaire, don le secondaire est inséré dans le cir- cuit dtutilisation, tandis que le primaire est inséré dans un circuit comprenant un condensateur et dérivé aux bornes du circuit d'utilisation. Il se développe dans l'enroulement secondaire du transformateur une force électromotrice opposée à la composante alternative de la tension du redresseur, qui équilibre plus ou moins bien celle-ci. Le condensateur du circuit primaire
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empêche le passage du courant continu dans ce circuit.
Ce procédé est encore imparfait, parce que l'énergie cor- respondant aux pertes doit être fournie par une oscilla- tion résiduelle de la tension'appliquée au circuit d'utilisation.
Enfin, dtautres procédés emploient également un transformateur auxiliaire dont le secondaire est inséré dans le circuit d'utilisation mais dont lepri- maire est excité par un courant alternatif, débité par des lampes à trois électrodes. Démission électronique de ces lampes dépend de la tension instantanée du redresseur. La force électromotrice développée dans le secondaire du transformateur auxiliaire équilibre la composante alternative de la tension du redresseur. Ces procédés permettent de pousser très loin l'amortissement des oscillations, paree que l'excitation des grilles des lampes triodes n'absorbe qu'une énergie insignifiante.
Cependant, l'emploi des lampes triodes n'est pratique que si la puissance qufon leur demande est relativement faible 'comme, par exemple, lorsqu'il s'agit d'amortir les harmoniques qui troublent les communications télépho- niques dans le voisinage d'un réseau alimenté par des redresseurs hexaphasés ; par contre,dans le cas d'un redresseur à deux anodes, l'emploi des lampes triodes n'est plus pratique, parce,que la puissance déwattée quelles doivent fournir au transformateur est trop importante.
Le procéda faisant l'objet de la présente
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invention diffère-des prcédents--en,..ce 'que "l'excitation du-.transformateur auxiliaire est fournie par un alterna- teur spécial. Il permet de pousser aussi loin qu'on .veut l'amortissement des oscillations de la tension du )redresseur,
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Il est applicable, d'une part, quelle que soit l'im- portance des oscillations .en-question et quelle que soit leur loi de variation en fonction du temps et, d'autre part, quel que soit le type du redresseur : redresseur à vapeur de mercure, soupape électrolytique, tube à décharge électronique, commutateur mécanique et même combinaison quelconque de redresseurs quelconques, le redresseur pouvant être alimenté par du courant monophasé ou par des courants polyphasés.
Sur le dessin ci-annexé auquel on se réfère dans la description qui va suivre : la fig. 1 montre schématiquement, à titre d'exemple,les liaisons électriques des appareils permettant la réalisation de l'invention ; la fig. 2 représente, à titre d'exemple, la'tête des bobinages d'un alternateur spécial dans un cas particulier.
Pour fixer les idées, on a engagé ltapplication du nouveau procédé à un redresseur à vapeur de mercure R, compor- tant deux anodes alimentées par un transformateur de courant monophasé. Un transformateur auxiliaire T a son enroulement secondaire a b inséré dans le circuit d'utilisation de
2 2 sorte qu'il est parcouru par le courant total débité par le redresseur R. L'enroulement primaire a1 b1 de T est excité par un alternateur monophasé A, dont la construction particu- lière sera exposée par la suite, de telle sorte qu'il se développe dans l'enroulement ah une force électromotrice 2 2 très sensiblement égale et opposée à la composante alternative de la tension du redresseur R. Ainsi, cette composante se trouve équilibrée à chaque instant et elle est, par suite, sans effet sur la tension aux bornes du circuit d'utilisation.
Ltalternateur A est entraîné par un petit moteur synchrone M, alimenté par le même réseau que le redresseur
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R, qui remplit un double but : Il fournit l'énergie perdue' dans le transformateur T et dans l'alternateur A et il' cons.- titue l'organe de liaison indispensable entre l'alternateur A et le redresseur R qui maintient la force électromotrice induite dans l'enroulement secondaire a b de T rigoureusement 2 2 en opposition de phase avec la composante alternative de la tension du. redresseur R.
Le moteur M est de faible puissance : la puissance qutil fournit doit: seulement compenser les pertes qui se produisent dans l'alternateur A et dans le transforma- teur T ; la puissance moyenne utile développée par l'alterna- teur A est nulle parce qu'elle correspond au travail d'une force électromotrice alternative sur un courant continu.
1 Le transformateur T peut fonctionner avec une magné- tisation préalable due au passage du courant du redresseur R dans l'enroulement secondaire a b
2 2
L'alternateur A est l'organe essentiel et caractéris- tique de l'invention. Pour que sa force électromotrice induise dans le secondaire a b de T une force électromotrice qui
2 2 équilibre parfaitement les oscillations de la tension du re- dresseur, elle doit varier suivant une loi qui dépend des pro- priétés électriques du transformateur T, de la réaction interne de l'alternateur A et de la fonction du temps définissant la tension du redresseur.
Si on repère la forceélectromotrice de A par rapport à la même origine des temps que la tension du réseau qui alimente le redresseur et si on désigne par e = (t) la valeur instantanée de la force électromotrice qu'il faudrait faire produire à l'alternateur A pour obtenir un amor- tissement parfait des oscillations de la tension du redresseur, la fonction (t) est une fonction
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alternative du temps, dont la fréquence F est un multiple de la fréquence 1: du réseau. Dans le cas d'un redresseur à deux anodes alimentées par un transfor- mateur de courant monophasé, on a F - 2 f ; dansle cas d'un redresseur triphasé, F = 3 f ; dans le cas d'un redresseur hexaphasé, F . 6 f;etc.....
La fonction (t) ntest pas une fonction sinusoïdale simple du temps. En faisant l'analyse har- monique de (t), on peut la développer suivant la série Fourrier :
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e à * f (t) . e 1 . e 2 + e of e 4 +...... (1) &(t) , 1234 où e , e , e , e sont des fonctions sinusoïdales sim-
1 2 3 4 ples du temps, dont les fréquences sont respectivement :
F, 2 F, 3 F, 4 F ......
En considérant l'expression (1) on peut envisager un moyen qui permettrait de produire la force électromotrice le . On installerait une série infinie a
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d'alternateurs élémentaires A1, 12, A3, A4..... propor-
1 2 3 4 tiennes pour produire respectivement et exactement les forces électromotrices e , e , e , e ..... quand ils
1 2 3 4 seraient entraînés par le moteur .synchrone M.
Les rotors de ces alternateurs seraient tous calés sur un même arbre solidaire du dit moteur M et les angles de calage des rotors,mesurés par rapport à un axe polaire du moteur M, seraient ceux qui respectent le décalage des harmoniques e , e , e , e ......par rapport à
1 2 3 4 l'origine des temps choisie : ces angles dépendraient donc du décalage des harmoniques composant e et aussi du retard angulaire présenté par le rotor du moteur M par rapport à la tension du réseau qui l'alimente.Les stators de tous les alternateurs élémentaires seraient
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groupés en série.
On comprend aisément que/la force électromotrice induite dans le circuit des stators serait exactement e . a
La réalisation pratique de la solution exposée ci-dessus serait trop compliquée; aussi est-il préférable de grouper les alternateurs élémentaires A1' A2.... en un seul alternateur A.
Ce groupement desalternateurs élémentaires en un seul est basé sur la propriété suivante :
On considère un rotor d'alternateur à 2 p pâles tournant à une vitesse angulaire constante w et créant un champ magnétique sinusoïdal dans l'entrefer dtun stator à 2 p' pôles. Les enroulements de ce stator sont disposés symétriquement par rapport à ses axes polaires et ses barres sont reliées entre elles en série.
Chaque barre du stator est, dans ces conditions, le siège d'une force électromotrice qui est une fonction sinusoi- dale du temps de fréquence f' - w p/2 et les forces 2# électromotrices ainsi induites stajoutent entre elles, pour donner la force électromotrice induite dans l'en- semble du stator. Deux cas peuvent alors de présenter : 1) Si 2 p/2 p + 1 est un nombre pair, la force électromotrice
2 p' résultante est différente de zéro.
2) Si --2--0 1 n'est pas un nombre pair, (c'est-à-dire 2 p' est un nombre impair ou fractionnaire) la force électromotrice résultante est constamment nulle, parce. que les forces électromotrices élémentaires s'équilibrent à chaque instant.
Cette propriété est appliquée de la façon suivante ;les parties magnétiques de l'alternateur A étant proportionnées pour développer la puissance appa- rente absorbée par le transformateur T et la section des enroulements du stator de l'alternateur A étant choisie
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pour admettre le courant qui doit être envoyé dans le' primaire a1 h 1 de T :
1 .- le stator et le rotor de l'alternateur A portent chacun un enroulement à p1 p61es, enroulements proportionnés et répartis pour créer par leur action combinée la force électromotrice e , qui est le premièr harmonique de e ,de fréquence F. a On choisit p = w#F/#, # désignant 1 # la vitesse angulaire à laquelle le moteur synchrone M entraine le rotor de A.
2 ,.. le dit stator et le dit rotor portent, en outre, chacun un enroulement à 2 x 2 p1 pales. Ces en- roulements sont proportionnés et répartis pour induire par leur action combinée la force électromotrice e de fréquence 2 f,quiest le second harmonique de e . -En vertu de la propriété qui a été énoncée,.l'enroulement de rotor à 2 p1 pôles est sans action sur l'enroulement de stator à 2 x 2 p1 pôles et l'enroulement de rotor à 2 x 2 p1 pôles est sans action sur l'enroulement de sta- tor à 2 p1 pales.
3 .- le rotor porte enfin un enroulement à 3 x 2 p1 pales. qui est proportionné pour induire dans l'enroulement de stator à 2 p1 pôles la force électromotrice e ,de fréquence 3 F,qui est le troisième harmonique de e .
L'enroulement de rotor à 3 x 2 p pôles est sans action sur l'enroulement de stator à 2 x 2 p1 pales, en vertu de la propriété énoncée précé- demment.
D'une façon générale, quand on se pro- pose d'engendrer la composante harmonique ek de la force
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électromotrice e , deux cas peuvent se présenter:
1) Il peut arriver que le rotor à k x 2 p1 pôles soit sans action sur tous les stators ayant un nombre de pôles g x 2 p inférieur à x 2 p , c'est-à-dire qu'il peut arriver que + 1 = k x 2 p + 1 = k+1 ne soit jamais un nombre pair.
Dans ce -cas; on ins- talle le rotor et le stator avec des enroulements . comportant chacun k x 2 p 1 pôles et proportionnés pour développer la force électromotrice e . k 2) Il peut aussi arriver que le rotor à k x 2 p1 pôles soit capable d'induire une force électromotrice,de fréquence k F dans un ou plusieurs enroulements de stator, dont le nombre de pôles est inférieur à k x
2 p , c'est-à-dire qu'il peut arriver que 1 soit un nombre pair pour une ou plusieurs valeurs de g.
Dans ce cas, on se contente d'installer le rotor avec un enroulement à k x 2 . p l pales. Il est propor- tionné pour que la somme des forces électromotrices induites dans les enroulements de stator sur lesquels il a une action, soit précisément égale à l'harmoni- que d'ordre k de la force électromotrice e .
Les angles des axes des enroulements de l'alternateur 4 avec les axes polaires du rotor du moteur M sont choisis pour donner le décalage voulu aux harmoniques e , e ......e Bien entendu, le choix de ces angles se fait en tenant compte du retard que le moteur synchrone d'entrainement M présente sur la ten- sion du réseau qui alimente le redresseur R.
Les enroulements superposés du stator de l'alternateur étant tous réunis en série, les for- ces électromotrices induites dans ces enroulements se
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composent en une résultante unique.
Théoriquement, la méthode exposée permet de ré- duire autant qu'on veut la différence résiduelle entre la force électromotrice créée par l'alternateur A et la force électro- motrice qu'il aurait dû créer pour produire un amortissement parfait des oscillations de la tension appliquée au circuit d'utilisation.
En réalité, la force électromotrice résultante qui est induite dans le stator de l'alternateur A n'est pas rigou- reusement égale à e : En effet, si on a poussé la superpo- a sition des enroulements jusqu'à créer l'harmonique d'ordre n, la force électromotrice résultante est limitée à la somme des n premiers harmoniques de e . En fait, l'erreur résiduelle n'a pas d'importance, parce que l'amplitude des harmoniques de e a diminue rapidement quand l'ordre de l'harmonique considéré croit et parce que la self-induction naturelle des circuits empêcherait efficacement la propagation des harmoniques de fréquence élevée.
Ainsi qu'il a été dit précédemment, on a représenté schématiquement sur la fig. 2, la tête des bobinages d'un al- ternateur conçu dans un cas particulier pour créer les trois premiers harmoniques qui composent la force électromotrice ea,on a fait 2 p1 = 4.
Il est naturellement loisible,sans sortir du cadre de l'invention, d'appliquer le nouveau procédé de correction des oscillations de la tension aux bornes d'un circuit à courant continu alimenté par un redresseur de courants alternatifs, de manière à réaliser des variantes présentant les caractéristiques sus-indiquées et se comportant pratiquement de la même façon que l'exemple d'application décrit ci-dessus en regard des fig.l et 2
Ainsi, dans l'exposé qui précède,on a supposé que les forces électromotrices e1'e ..induites dans les enroulements du stator variaient, en fonction du temps, suivant une loi sinusoïdale simple. Des circonstances ....................
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spéciales peuvent empêcher de répartir et de disposer les enroulements pour que cette hypothèse soit suffi- samment réalisée.
Le procédé, objet de l'invention, s'applique encore dans ce cas , de la façon suivante : les enroulements d'ordre k de l'alternateur A sont conçus pour développer une force électromotrice de fréquence k F, dont l'harmonique fondamentale est égal à lthar-: monique e de e , diminué( de tous les harmoniques de k a fréquence k F que peuvent présenter les forces électro- - motrices induites dans les enroulements dont l'ordre est inférieur à k.
De cette façon, 'l'installation des enrou- lements d'ordre k corrige tous les écarts qui sont chif- frés par une fonction de fréquence k F et qui pourraient avoir été introduits par l'installation des enroulements d'ordre inférieur à k. L'erreur' résiduelle présentée par la force électromotrice résultante est alors de même fréquence que dans le cas qui la été exposé en premier lieu.
A la place de l'alternateur unique A, on peut prévoir plusieurs alternateurs; dont les stators et rotors seraient conçus pour produire le même effet que A, quand les stators sont réunis en série.
Au lieu d'obtenir tous les harmoniques de e à l'aide de superposition d'enroulements, on peut créer certains - d'entre eux - partiellement ou totalement par une répartition convenable des enroulements de stator et de rotor et par des proportions déterminées données aux parties magnétiques de l'alternateur A.
, , On peut aussi remplacer le moteur synchrone M du type ordinaire, par tout moteur, électrique ou autre, jouissant de la propriété de tourner rigoureusement en synchronisme avec la pulsation du réseau qui alimente le
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redresseur R.
Si on pouvait se contenter d'un amortissement très grossier des oscillations de la tension du redresseur, on pourrait même supprimer le moteur M ; dans ce cas, les oscillations résiduelles du courant qui traverse l'enrou- lement secondaire a b du transformateur T seraient -2-2 capables de maintenir la rotation synchrone de A et de fournir au dispositif l'énergie absorbée par les pertes.
Enfin, le procédé d'amortissement qui fait l'objet de la présente invention peut naturellement être employé en liaison avec tout autre procédé visant au même but.